引言随着科技事业的发展，高精度恒温恒湿实验室对环境的要求日益提高，能耗也随之增加。空气热源作为可再生且储量客观的能源，已被正式认可。通过热泵技术充分利用空气热能，为建筑提供生活热水、冬季供暖等措施，能够解决高达75%的建筑能耗[1]，空气源热泵具有高能效、节能省电、绿色环保无污染等特点，是建筑节能技术手段的有益补充[2-5]。1项目建设背景中国计量科学研究院昌平院区建有高精密测量实验室楼宇共计25栋，配电系统1座35 kV变电站、8座10 kV室外变电站、6座10 kV室内变电站；空调系统为16座空调机房；锅炉系统分散建设7座锅炉房和12台电锅炉。本研究的供暖系统节能改造采用空气源热泵机组联动电锅炉系统方式。空气源热泵消耗部分电能驱动机组运行，将空气中不易被利用的低品位热能转化为高品位热能用以制热[6]，机组无须消耗一次能源，并对环境无任何污染[7]。试点选在院区某动力站，该变电站作为院区主要用能中心，提供冷源、热源及电源，具有2.4 MW的蓄热电锅和2.7 MW的水冷机组设备，为精密实验区提供热源。选择该动力站作为试点主要原因包括：（1）用电量占比大。经过多年的数据统计分析，该动力站年平均用电量占昌平院区能耗的25%~30%，具有较大的节能潜力。（2）供能紧张。由于精密实验区温度控制范围为20 ℃±(0.1~1) ℃，相对湿度控制范围为50%±(5%~10%)。热源均来自该动力站电锅炉设备，全年需要不间断提供热水，当夏季用电高峰期用电紧张时，需停运1台锅炉，将其电量转给冷水机组使用，以保障空调温湿度要求。（3）设备能效低。动力站内热水锅炉为电阻式，运行时间已达10 a，在非采暖季两台电锅炉设备平均总电耗为408万kWh，供热一次泵平均总电耗为4.4万kWh，供热系统总供给热量分别为335万kWh，平均系统热效率不足82%，耗电大、能效低。（4）具备改造空间。该处动力站南侧为空地绿植区域，可以提供改造设备存放空间。2项目改造方案系统改造方案如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.015.F001图1节能改造系统采用空气源热泵与电锅炉系统联动切换平台，在原有锅炉系统整体结构基础上，按设定温度及所需供热量加装热泵并设有测试循环泵，设备清单如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.015.T001表1设备清单产品名称型号数量设计参数空气源热泵机组EKAH600CHS17Q=190 kWP=49.5 kW管道循环泵TD100-15SWHCJ2G=60 m3/hH=15 m电动阀DN2006ϕ=200空气源热泵供水管路接入原系统空调热水管路，整个系统的定压补水不做调整，故此系统共3种运行工况，如表2所示。由于精密区实验运行要求，通过M5、M6电动阀设立“调试泵”，利用既有蓄热水箱与热泵构成调试系统单元以预测试，确保后续系统平稳投入运行。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.015.T002表2系统运行工况工况开启关闭热源春夏秋季M1、M3M2、M4、M5、M6空气源热泵冬季M2、M4M1、M3、M5、M6电锅炉检修检修旁路开关待检开关无自控部分由现场仪表、热泵机组、PLC控制柜、阀门水泵控制柜、交换机、上位计算机、物联模块组成。仪表具备自动化本地及远传功能，运行参数均在平台显示。后台监控系统终端安装于控制器，不同颜色区分设备运行状态及故障报警信息，并通过声音及图像闪烁完成。3项目难点及节能效益分析3.1项目难点分析（1）设备参数选型。EKAH型号利用自由变换的喷气增焓技术及波纹型翅片换热器，实现机组低温环境工况下的高效能和稳定性。机组换热回路单独位于换热最差、最易结霜的机组底部，避免制热除霜造成的能源浪费。结合精密空调1 150 kW的实际需热量，6用1备的空气源热泵机组采用标准工况下，单台供热量为193 kW，热水送、回水温度45/40 ℃，水流量30 t/h，功率50 kW，能效比3.86。当室外温度为-5 ℃及以下时，修正后单台供热量156 kW，热水送回水温度60/50 ℃，功率68 kW，能效比2.3。（2）温度指标设定。定量分析统计近3年能源统计表及运行现状记录数据，非采暖季空调系统热水供水温度为50 ℃，可满足精密实验室温湿度控制要求；而采暖季除给精密空调系统提供热源外，还需给办公室提供采暖热源，热水供水温度需在60 ℃以上。根据精密区的实际情况，据此设定本项目温度指标。（3）并接原有配电系统。总体安装功率459 kW，计算有功功率413 kW，计算电流698 A，热泵回路选型125 A的短路保护断路器。分析24#实际情况，需在2T变压器二次侧新增落地配电柜，负荷隔离开关选用为800 A/3 P。考虑变压器经济性运行效率区间，增设空气源热泵回路开关，实现与原有锅炉回路开关互锁要求。3.2节能效益分析4台运行机组，开启2台测试泵与2#蓄热水箱运行调试，初始温度43 ℃，主机运行1 h后出水温度达到50 ℃。系统测试温度监测如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.015.F002图2系统测试温度监测6台运行机组与实验室二次系统联合运行，开启3台二次系统循环泵，初始温度34 ℃，机组运行1小时8分后出水温度达到48 ℃。联机测试温度监测如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.015.F003图3联机测试温度监测项目于2019年11月投入运行，2017—2020年试点动力站用电量统计如图4所示。由图4可知，2020年4月—2020年10月非供暖季节，试点电站用电量显著降低。与前3年平均电量相比，2020年共计减少约179万kWh。通过非采暖季节选用空气源热泵作为热源为精密空调供热，供热效率提高约337%。经北京市发改委组织的第三方机构复核，全年共计节约578 吨标准煤。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.015.F004图42017—2020年试点动力站用电量统计4结语为改善科研院所供能紧张及设备低能效的现状，本项目在原有锅炉系统整体结构基础上，按设定温度及所需供热量，加装空气源热泵及测试循环泵，经过运行调试监测出水温度，实现了非采暖季节空气源热泵作为精密空调供热热源的设计预期。系统能效高、占地少，运行稳定且无污染物排放，达到了项目的使用要求，经第三方机构检测系统节能效果明显。通过优化调整能源结构实现多能互补，促进了科研院所节能改造工程建设。